操作系統(tǒng)第1章

操作系統(tǒng)主講人：黃萍huangp146@行政樓408辦公核與成績評定考核方式：閉卷、筆試成績評定：平時成績：期末考試：到課情況：10%平時作業(yè)：10%20%80%使用教材操作系統(tǒng)的作用軟件硬件硬件與軟件的關(guān)系腦袋與思想的關(guān)系應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)頭主要學(xué)習(xí)內(nèi)容一、操作系統(tǒng)引論二、進(jìn)程管理三、處理機調(diào)度與死鎖四、存儲器管理五、設(shè)備管理六、文件管理第一章操作系統(tǒng)引論什么是操作系統(tǒng)?操作系統(tǒng)的性質(zhì)?以下軟件那些是操作系統(tǒng)？UNIXWordDOSVBOFFICWindowsXPWindows7LinuxPowerpointPhotoshop操作系統(tǒng)軟件：UNIXWordDOSVBOFFICWindowsXPWindows7LinuxPowerpointPhotoshop定義：操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地對各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度、以及方便用戶使用的程序集合。1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)

目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標(biāo)各有所側(cè)重。方便性有效性可擴充性開放性設(shè)計操作系統(tǒng)最重要的兩個目標(biāo)1.方便性硬件只識別0和1這樣的機器代碼。因此，用戶要在計算機上運行自己所編寫的程序，就必須用機器語言書寫。2.有效性提高系統(tǒng)資源利用率，使資源忙，得到有效利用；提高系統(tǒng)吞吐率，加速程序運行，縮短程序的運行周期；3.可擴充性適應(yīng)硬件與網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求采用層次化結(jié)構(gòu)，便于增加新功能模塊和修改老的功能模塊。4.開放性遵循開放系統(tǒng)互連OSI國際標(biāo)準(zhǔn)是90年代計算機技術(shù)的核心問題。實現(xiàn)應(yīng)用的可移植性和互操作性，要求操作系統(tǒng)必須提供統(tǒng)一的開放環(huán)境。1.1.2操作系統(tǒng)的作用：用戶與硬件系統(tǒng)的接口計算機四類資源的管理者實現(xiàn)了對計算機資源的抽象1.用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口

OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)。OS是一個系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。軟件接口，給互用用戶提供三種方式：（1）命令方式（2）系統(tǒng)調(diào)用方式（3）圖形、窗口方式(1)命令方式。由OS提供一組聯(lián)機命令，用戶可通過鍵盤輸入有關(guān)命令，來直接操縱計算機系統(tǒng)。(2)系統(tǒng)調(diào)用方式。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在應(yīng)用程序中通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，來操縱計算機。(3)圖形、窗口方式。用戶通過屏幕上的窗口和圖標(biāo)來操縱計算機系統(tǒng)和運行自己的程序。OS作為接口的示意圖用戶應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用命令圖標(biāo)、窗口操作系統(tǒng)計算機硬件2.OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者處理機管理——用于分配和控制處理機；存儲器管理——主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收；設(shè)備管理——負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配與操縱；文件管理——負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護。3.OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象裸機：無任何軟件的計算機系統(tǒng)擴充機器：覆蓋了軟件的機器又稱虛擬機1.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力不斷提高計算機資源利用率2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)（50年代）多道批處理系統(tǒng)（60年代）分時系統(tǒng)（60年代）實時系統(tǒng)（60年代）1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.人工操作方式從第一臺計算機誕生(1945年)到50年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)OS。人工操作方式有以下兩方面的缺點：用戶獨占全機CPU等待人工操作2.脫機輸入/輸出方式脫機I/O方式的主要優(yōu)點如下：減少了CPU的空閑時間。(2)提高I/O速度。脫機I/O示意圖輸入設(shè)備外圍機磁盤主機外圍機輸出設(shè)備過程：一批作業(yè)以脫機方式輸入到磁帶上，在監(jiān)督程序的控制下連續(xù)處理。特征：（1）自動性無人工干預(yù);（2）順序性按進(jìn)入內(nèi)存的先后執(zhí)行;（3）單道性內(nèi)存中只保持一到作業(yè)。1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.多道程序設(shè)計的基本概念多道：指內(nèi)存中同時存放多個相互獨立的程序。

多道技術(shù)是共享的基礎(chǔ)。引入多道程序設(shè)計技術(shù)帶來的好處：(1)提高CPU的利用率。(2)可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率。(3)增加系統(tǒng)吞吐量。啟動程序C完成完成啟動t1t2t3t4t5t6t7t8結(jié)束中斷I/O

I/OI/O

中斷請求I/O

I/OI/O

中斷請求用戶程序監(jiān)督程序I/O

操作(a)單道程序運行情況程序A程序AI/O請求程序AI/O完成程序B程序BI/O請求程序CI/O請求程序D程序DI/O請求CI/O完成C再被調(diào)用程序BI/O完成程序A再被調(diào)度程序A程序B程序C程序D調(diào)度程序(b)多道程序運行情況A完成結(jié)束中斷2.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點資源利用率高。(2)系統(tǒng)吞吐量大。吞吐量：單位時間內(nèi)完成的總工作量原因:①資源忙；②完成或運行不下去時才切換；(3)平均周轉(zhuǎn)時間長。通常幾小時，甚至幾天。作業(yè)周轉(zhuǎn)時間：從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)開始到完成并退出系統(tǒng)經(jīng)歷的時間。(4)無交互能力。修改和調(diào)試極不方便。3.多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題處理機管理內(nèi)存管理I/O設(shè)備管理文件管理作業(yè)管理1.2.4分時系統(tǒng)

分時系統(tǒng)的產(chǎn)生定義：一臺主機上連接了多個終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)人—機交互。（邊運行邊調(diào)試）(2)共享主機。（設(shè)備昂貴）(3)便于用戶上機。（在終端上輸入、控制）2.分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題終端鍵入命令，及時接收處理，將結(jié)果返回。再鍵入下條命令，實現(xiàn)人-機交互。有多個用戶同時鍵入命令時，也應(yīng)能全部地及時接收并處理。(1)及時接收。(2)及時處理。3.分時系統(tǒng)的特征多路性。即同時性，宏觀上同時微觀上輪流獨立性。每個用戶感覺獨占主機及時性。較短時間響應(yīng)（1-3秒）交互性。1.2.5實時系統(tǒng)系統(tǒng)能及時(或即時)響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行。1.應(yīng)用需求實時控制。工業(yè)生產(chǎn)、武器控制飛機的自動駕駛

(2)實時信息處理。訂票系統(tǒng)2.實時任務(wù)任務(wù)執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性完成截止時間周期性實時任務(wù)非周期性實時任務(wù)開始截止時間對截止時間的要求硬實時任務(wù)軟實時任務(wù)3.實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較多路性獨立性及時性交互性可靠性1.3操作系統(tǒng)基本特征并發(fā)性（最重要特征）共享性虛擬性異步性1.3.1并發(fā)性1.并發(fā)與并行并行性：兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；并發(fā)性：兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏觀上有多個程序在同時運行；單處理機系統(tǒng)中，每一時刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，微觀上這些程序只能是分時地交替執(zhí)行。多個處理機系統(tǒng)可以并發(fā)執(zhí)行的程序被分配到多個處理機上，實現(xiàn)并行執(zhí)行。進(jìn)程程序在并發(fā)環(huán)境中的執(zhí)行過程；資源分配和獨立運行的基本單位。線程一個進(jìn)程中包含多個線程，他們可以利用進(jìn)程所擁有的資源；作為獨立運行和獨立調(diào)度的基本單位。所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程(線程)共同使用。1.3.2共享性資源屬性的不同，對資源共享的方式也不同。實現(xiàn)資源共享的兩種方式：(1)互斥共享方式(2)同時訪問方式1.互斥共享方式進(jìn)程A訪問某資源時，必先提請求，若該資源空閑，系統(tǒng)便將之分配給A使用，此后若再有其它進(jìn)程也要訪問該資源時則必須等待。僅當(dāng)A訪問完并釋放該資源后，才允許另一進(jìn)程對該資源進(jìn)行訪問。在一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源稱為臨界資源或獨占資源。2.同時訪問方式允許一段時間內(nèi)由多個進(jìn)程“同時”對它們進(jìn)行訪問。操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征是并發(fā)和共享。操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。時分復(fù)用技術(shù)空分復(fù)用技術(shù)

1.3.3虛擬性虛擬處理機技術(shù)虛擬設(shè)備技術(shù)虛擬磁盤技術(shù)虛擬存儲器技術(shù)1.3.4異步性進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運行。1.4操作系統(tǒng)的主要功能資源管理處理機管理存儲器管理設(shè)備管理文件管理用戶管理命令接口程序接口圖形接口聯(lián)機用戶接口脫機用戶接口用戶接口：提供給用戶使用的接口。程序接口：提供給程序員在編程時使用的接口。1.4.5操作系統(tǒng)與用戶之間的接口(1)聯(lián)機用戶接口。適用：幾乎所有計算機的操作系統(tǒng)中組成：命令+命令解釋程序過程：用戶在終端或控制臺上每鍵入一條命令，命令解釋程序?qū)υ撁罴右越忉尣?zhí)行該命令。(2)脫機用戶接口。適用：是為批處理作業(yè)的用戶提供的，故也稱為批處理用戶接口。組成：一組JCL（作業(yè)控制語言）過程：用戶把對作業(yè)的控制用JCL寫在作業(yè)說明書上，命令解釋程序按照作業(yè)說明書解釋并執(zhí)行。(3)圖形接口圖形用戶接口采用了圖形化的操作界面，用非常容易識別的各種圖標(biāo)(icon)來將系統(tǒng)的各項功能、各種應(yīng)用程序和文件，直觀、逼真地表示出來。用戶可用鼠標(biāo)或通過菜單和對話框，來完成對應(yīng)用程序和文件的操作。2.程序接口目的：為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑。組成：一組系統(tǒng)調(diào)用是一個能完成特定功能的子程序。系統(tǒng)調(diào)用：每一個系統(tǒng)調(diào)用都是一個能完成特定功能的子程序，每當(dāng)應(yīng)用程序要求OS提供某種服務(wù)(功能)時，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的子程序。操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展階段第一代：無結(jié)構(gòu)OS第二代：模塊化結(jié)構(gòu)的OS第三代：分層式結(jié)構(gòu)的OS第四代：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的OS（20世紀(jì)90年代）——現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的OS傳統(tǒng)OS結(jié)構(gòu)1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計無結(jié)構(gòu)OS—是為數(shù)眾多的一組過程的集合，內(nèi)部復(fù)雜混亂；模塊化結(jié)構(gòu)OS—按功能劃分成若干個具有一定獨立性和大小的模塊，每個模塊具有某方面的管理功能，使各模塊之間能通過接口實現(xiàn)交互；分層式結(jié)構(gòu)OS—在目標(biāo)系統(tǒng)和裸機系統(tǒng)之間，鋪設(shè)若干個層次的軟件層，最終能在裸機上運行。采用自底向上的分層原則。操作系統(tǒng)內(nèi)核是指大多數(shù)操作系統(tǒng)的核心部分。由操作系統(tǒng)中用于管理存儲器、文件、外設(shè)和系統(tǒng)資源的那些部分組成。通常運行進(jìn)程，并提供進(jìn)程間的通信。在微內(nèi)核系統(tǒng)中，內(nèi)核是精心設(shè)計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代OS最基本的核心功能的部分。微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)微內(nèi)核并非一個完整的OS，只是操作系統(tǒng)中最基本的部分；實現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的處理；實現(xiàn)一些較基本的功能；負(fù)責(zé)客戶和服務(wù)器之間的通信；微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)現(xiàn)代操作系統(tǒng)，大多數(shù)采用基于客戶/服務(wù)器模式的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，將操作系統(tǒng)劃分為兩大部分：微內(nèi)核和多個服務(wù)器；將操作系統(tǒng)中最基本的部分放在內(nèi)核中，絕大部分功能都放在微內(nèi)核外面的一組服務(wù)器（進(jìn)程）中實現(xiàn)；客戶進(jìn)程客戶進(jìn)程進(jìn)程服務(wù)器終端服務(wù)器文件服務(wù)器存儲器服務(wù)器請求回答核心用戶方式核心方式在單機環(huán)境下的客戶/服務(wù)器模式…微內(nèi)核的基本功能進(jìn)程（線程管理）低級存